汝城罗泉矿泉水生成机理探讨

王小清,陈带花,欧任文，刘珍奇（湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014）



汝城罗泉矿泉水生成机理探讨

王小清*,陈带花,欧任文，刘珍奇
（湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014）

摘 要罗泉矿泉水水源地位于汝城县暖水镇罗泉村，含水层为泥盆系上统锡矿山组和石炭系下统岩关阶碳酸盐岩层。矿泉取水深度为356 m（静水位高出地面3.65 m），最大涌水量6479.9 m3/d。水质评定为含锶、偏硅酸的重碳酸—钠•钙型矿泉水。通过对水源地的地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件等区域地质环境条件和地球化学分析，认为矿泉水是砂砾石层风化溶解、锶硅离子交替吸附的结果，其主要补给为东南边山前断裂带泥盆系灰岩水侧向补给，以及上覆潜水越流补给等共同作用而形成。开采实践证明，锶（Sr）含量随着开采时间的推移总体呈下降趋势，偏硅酸（H2SiO3）含量基本稳定。该矿泉水为适合饮用的低钠、高热优质天然矿泉水。

关键词罗泉矿泉水；地质环境条件；地球化学分析；生成机理探讨

汝城罗泉矿泉水出露于第四系冲积坡积物中。1992年湖南汝城天然矿泉水开发公司开采，主要生产“太乙泉”纯天然矿泉水及开展澡堂营业项目，矿泉水生产能力可达5000 t/a；矿泉水澡堂营业位40人/次，开采潜力大。但是由于受诸因素影响，生产经营不尽人意，自95年8月正式投产以来，只生产优质 “太乙泉”矿泉水700 t，每年平均只有180 t，仅为设计能力的3.6%，按照允许开采(自流)量2500 m3/d计算，目前的利用率(包括澡堂营业)还不足1%。因矿权转让且未延续，2011年底停采矿泉水，但澡堂营业继续。目前，罗泉矿泉水矿重新办理矿权手续，将于2016年10月重新投放开采。矿泉水流量27.23～29.24 l/s。经历年水质检验，矿泉水清彻透明，无可见异物，无色无味无嗅。矿泉水水化学类型为重碳酸钙型，PH值6.9～7.94，矿化度0.337～0.371 g/L，总硬度0.185～0.216 g/L，水温48.0～50℃，偏硅酸含量0.31～0.39 g/L，锶0.20～0.3 mg/L。而挥发酚、氰化物等有毒有害元素、放射性物质，微生物和亚硝酸根、耗氧量等指标均在限量范围之内，综合评定为含锶、偏硅酸的重碳酸钙型天然饮用矿泉水。

随着社会的发展，人民生活水平的不断提高，人们消费观念的改变，越来越关注食品安全与健康，矿泉水以其天然、纯净、安全、卫生、有利于健康而成为热门商品。本文通过综合分析罗泉矿泉水的区域地质环境条件与地球化学条件，对其形成机理进行探讨，对矿泉水的合理开发利用具有重要意义。

1　区域地质环境条件

1.1 地形地貌

本区属侵蚀、剥蚀构造地貌和侵蚀溶蚀岩溶地貌。矿泉东、南、西三面地势高，群峰耸立；北面为一狭长、底阔缓、北倾斜的沟谷。侵蚀构造地貌分布在西北部一带，由泥盆系中统跳马涧组砂岩、页岩和寒武系浅变质砂岩、板岩组成，山顶高度一般1000 m以上，相对高差600～800 m，山顶尖棱，山坡坡度在25～35°，沟谷呈“V”形；剥蚀侵蚀构造地貌分布在东南部一带，由侏罗系中统紫红色砂页岩组成，山顶高700～900 m，相对高差400～500 m，山顶较平缓，山坡坡度20～30°，沟谷多呈“V”字形；侵蚀溶蚀岩溶地貌分布于前二者之间地带，由泥盆系石炭系碳酸盐岩组成，地形标高300～700 m，相对高差100～300 m，山坡坡度20～30°，局部悬崖绝壁，谷底较开阔，有的亦呈“V”形，呈北东—南西向展布与构造线方向一致。区内地形最高点为矿泉南东约1400 m的山头，山顶高854 m，最低点在矿泉北部约1500 m的罗泉村，标高326 m，矿泉出露处地形标高356 m。

1.2 地层岩性

区内出露的地层主要有第四系冲积坡积物、泥盆系中上统石炭系和侏罗系中统，由老至新叙述如下：

（1）第四系坡积物：分布于谷底较开阔地带，为碎屑岩、砂砾卵石及黄土等冲积残坡积物，厚1～3 m。

（2）泥盆系中、上统：①中统跳马涧组（D2t）为灰色、暗紫红色石英砂岩、页岩，含砾石英砂岩及石英砾岩厚63～100 m。②中统棋梓桥组（D2q）为深灰色白云岩，白云质灰岩、灰岩，厚130～177 m。③上统佘田桥组（D3s），下段（D3s1）为深灰色灰岩夹白云质灰岩、泥质灰岩及白云岩，局部夹同生角砾岩，厚306 m；上段（D3s2）下部为灰岩，上部为泥质灰岩，底部有一层灰质石英粉砂岩，厚123 m。④上统锡矿山组（D3x），下段（D3x1）为深灰色灰岩，泥质灰岩，含白云质灰岩，中上部含燧石结核和条带，厚206 m；上段（D3x2）为深灰色灰岩、泥灰岩、石英粉砂岩、石英砂岩，厚53 m。

（3）石炭系下统岩关阶（C1y）：下段（C1y1）岩性为深灰色灰岩夹砂质页岩、钙质粉砂岩，厚170 m；中段（C1y2）岩性为页岩、泥灰岩夹粉砂页岩、粉砂质泥灰岩，厚30 m；上段（C1y3）岩性为深灰色灰岩夹紫红色泥灰岩，钙质页岩，厚66 m。

（4）侏罗系中统白香带组（J2b）：岩性上部紫红色中厚层状泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩夹中细粒长石石英砂岩；下部为紫红色中厚层状中细粒长石石英岩、砂质砾岩，厚77～816 m。

1.3地质构造

本区属华夏构造体系，构造形迹主要为北东走向，由向斜北东向的压扭性断裂组成。

向斜轴向总体北东，南西端扬起。核部由下石炭统大塘阶地层组成，两翼依次出现下石炭统岩关阶和上泥盆统锡矿山组、佘田桥组和中统棋梓组、跳马涧组。罗泉矿泉水即出露于向斜南东翼的锡矿山组地层中。向斜南东翼与侏罗系断陷盆地接合部位发育有两条断层。

F1：大屋场—枫树下压性断裂，区域活动性断裂。走向总体北东，长约数公里。断裂面倾向290～315°，倾角42～55°，断裂破碎带宽10～16 m，发育构造角砾岩及构造透镜体，且伴有糜棱岩化、硅化、方解石化和片理化。断层北西盘中，上泥盆统沿断裂面向南东推覆到南东盘中侏罗统之上。

F2：F1断裂上盘的大汤断裂，走向近东西，东端与F1斜交；地表可见长度约1 km，断裂面倾向北，倾角80°，沿断裂岩层波状挠曲异常发育，见断层泥。沿断裂带落水洞呈串珠状分布。此断裂具先压后张的特性。矿泉水出露于该断裂下盘。

另外在向斜核部发育一条北水—西腊压性断裂（F3），呈北东南西向延伸。沿断裂发育有构造角砾岩带，可见宽度3～25 m。断裂影响的地层主要为下石炭统岩关阶和大塘阶，而各地层缺失情况不尽一致。在向斜北西翼的泥盆系中发育一条F4压性断裂。

1.4 水文地质条件

1.4.1 地下水类型及富水性

区内地下水主要有碳酸盐岩溶洞裂隙水和碎屑岩裂隙水两大类。

（1）碳酸盐岩溶洞裂隙水分为水量丰富和水量中等的两个亚类。其中，水量丰富的含水岩组由泥盆系上统锡矿山组下段和石炭系下统岩关阶下段碳酸盐岩组成，泉流量一般1～10 l/s，最大29 l/s，暗河流量大于10 l/s 。矿泉水即出露在本含水岩组。水量中等的含水岩组由泥盆系中统棋梓桥组、佘田桥组灰岩、白云岩、泥质灰岩和泥灰岩组成，泉水流量一般0.1～1.0 l/s。

（2）碎屑岩裂隙水

含水岩组由泥盆系中统跳马涧组、上统锡矿山组上段，石炭系下统岩关阶中上段砂岩、砾岩、页岩和侏罗系中统砂页岩、砾岩等组成，泉流量一般小于0.5 l/s，水量总体贫乏。

1.4.2 断裂构造富水性

这里只叙述与矿泉水有关的F1、F2断裂构造富水性。

F1属区域活动性断裂，北西盘为碳酸盐岩强含水岩组，含水又导水，凹仔窑南200 m泉水流量4.45 l/s；南东盘为含水性弱的侏罗系砂砾岩，地表未发现泉水。

F2断裂先压后张，断裂带为断层泥和劈理岩，其含水导水性很弱。但两盘破碎带既含水又导水，上盘出露两个常温泉，流量分别为4.45 l/s和5.61 l/s，下盘出露热矿泉，有三个涌水点呈线状沿断裂带方向排泄涌出，其自流量总计27.23～29.24 l/s，经抽水试验，最大降深为3.65 m，涌水量37.5 l/s。

1.4.3 地下水的补给、径流、排泄条件

（1）补给、径流、排泄条件

区内东、南、西三面地势高，大气降水通过砂岩，碳酸盐岩的裂隙、溶隙、溶洞和断裂破碎带向地下渗透，其中一部分水渗入地下后，以不同的运移速度经浅部循环后，在适宜地段排泄于地表，区内的常温泉往往是这样形成的。另一部分水继续向深部循环，在深循环过程和较长时间的埋藏中，一方面增温与围岩作用溶解或溶滤一定量的化学组分，一方面沿F1断裂向F2断裂运移，运移至导水导热的F2断裂下盘时，在水压力驱动下，沿断裂带下盘上升，以热泉形式排泄于地表（图1）。

（2）矿泉水水量与静止水位

矿泉水水量十分丰富。1991年11月至2011 年5月，经抽水试验，其自然水位降低3.65 m，自流流量2496.53 m3/d；当水位降深4.72 m时，涌水量3240 m3/d。1992年11月采用水泵抽按最大降深（2倍降深）9.44 m预测其最大涌水量为6479.9 m3/d。试验结果表明矿泉水两次降深涌水量呈直线关系。2011年3月、5月野外调查采用堰测法，其自然水位降低3.54 m，测得自流量为2419.29 m3/d。

图1　罗泉矿泉水补、迳、排水文地质剖面示意图Fig.1 Luoquan mineral water fill,runoff,discharge hydrogeological cross-sectional schematic

（3）矿泉水动态变化特征

图2　罗泉矿泉水流量和水温动态曲线图Fig.2 Dynamic graph Luoquan mineral water flowand water temperature

从1991年11月至1992年12月，通过对该矿泉水水质、水温和流量动态长期观测，从丰、枯季两次取样分析测试结果，其主要成分的变幅仍在10%之内，泉流量27.23～29.24 l/s，变幅2.01 l/s；水温48.0～50℃，变幅1.5℃；矿泉水各项指标的变化幅度均在10%之内。这些充分说明矿泉水水质、流量和水温的动态是稳定的，受季节影响甚微（图2）。地下水主要为泥盆系上统锡矿山组、棋梓桥组，佘田桥组灰岩、白云岩、泥质灰岩和泥灰岩组成的碳酸盐岩溶洞裂隙水为主，泉流量一般0.11～10 l/s，最大29 l/s泉流量，暗河流量大于10.l l/s。其次为泥盆系中统跳马涧组、上统锡矿山组上段、石炭系下统岩关阶中上段砂岩、砾岩、页岩和侏罗系中统砂页岩、砾岩组成的碎屑岩裂隙水，泉流量一般小于0.5 l/s，水量总体贫乏。

据收集的有关资料和调查，矿泉水水源地在地形分水岭范围内没有居民居住区，没有稻田更没有工厂、矿山，全部为崇山峻岭、植被茂盛、风景秀美，完全是一派自然风光环境。矿泉水产于泥盆系上统锡矿山组下段碳酸盐岩裂隙溶洞水含水岩组，受断裂构造影响，水量丰富，矿泉水为天然自流，其补给、径流、排泄均处于自然平衡状态，不存在地下水资源破坏问题。

现矿泉水厂已于2011年底停产，仅澡堂在营业，其规模小，废水量小，有害组分含量低，对地表、地下水污染均影响较轻。

1.5.2 土地资源、土石环境

1987年以来，包括人工开挖涌水点成水池、修建矿泉水厂房和澡堂、泳池以及其它设施共占地约5000 m2，占地面积小，且占用地类均为林地和未利用地，对土地资源影响较轻；矿泉水生产和澡堂营业不产生固体废弃物、废水量小，有害组分含量低，对植物生长影响小，对土石环境破坏、污染影响较轻。

矿泉水开采区岩体稳定性好，植被茂盛，覆盖率高，现状未发现崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害及较大隐患，其危险性小，影响较轻。

矿泉水虽产于岩溶发育区，其岩溶发育已处于相对平衡状态，现状未发现岩溶地面塌陷，矿泉水自流引发岩溶地面塌陷的危险性小，影响较轻，矿泉附近无矿山采空区，不存在发生地面沉降(塌陷)的危险，影响较轻。

2　矿泉水的地球化学分析

1.5 环境地质条件

1.5.1 水资源、水环境

本区主要有东江水库及其支流、李家洞水库。

罗泉矿泉水出露处地形标高356 m，静止水位3.65 m。断层带泥盆系下统锡矿山组的含水层具有+360 m统一的水位标准，含水层水侧向渗漏补给地下水。另外该承压含水层也接受上部潜水越流下渗，与东南部山区的碎屑岩裂隙水也有一定的联系。

2.1 锶形成的水化学分析

（1）锶（Sr）是ⅡA族元素，与钙、镁、钡处在同一主族的碱土金属。它的化学性质活泼，前移性强，容易失去最外层的2个价电子而变成离子。对周围的地球化学（温度、压力、浓度、PH值、氧化还原电位、表面能等）适应性强，且具有很强的迁移力。锶离子与钙、镁相近，电价相同，常以类质同相共存于岩石矿物之中。在地下水中经常会发生离子交替吸附，从而被钙、镁取代而进入水中。

（2）罗泉矿泉水赋存于水量丰富的泥盆系上统锡矿山组下段碳酸盐岩中。岩层中主要矿物成分为灰岩、长石、石英，锶以分散的形式呈类质同相存在于含钙、镁的岩石中，当水与这些岩层作用后，钙、镁岩石解体，使锶进入地下水中。而地下水主要以HCO3--Ca(Mg)型为主，而锶与钙、镁可以经常发生离子交替吸附，使其它岩层的锶进入水中，从而增加了地下水中锶的含量。

（3）本区地形低洼处有第四系碎屑岩、砂砾卵石及黄土等冲积坡积物覆盖，地下水在由山区向低洼处径流过程中，与围岩长期接触，经溶滤、水解和碳化作用，使水中的锶含量不断增高，从而达到矿泉水界限标准。该泉水就是出露在地形低洼处。

2.2 偏硅酸形成的水化学分析

硅元素是地壳中最丰富的元素之一，硅酸盐矿物占地壳主体的3/4。地下水中的硅酸是通过溶解硅酸盐矿物而形成。硅酸在水中容易电离呈偏硅酸，水与矿物作用是否持续进行，与地下水循环深度、径流通畅条件密切相关。由水和硅酸盐矿物作用常形成更难溶解的次生物，包围在原生矿物周围，减缓水岩作用。当径流条件好时使之彻底溶解，水中偏硅酸含量进一步提高。另外，偏硅酸在水中的溶解度对水温很敏感，水温越高溶解度越大。

罗泉矿泉水出露的含水层为水量丰富的泥盆系上统锡矿山组下段和石炭系下统岩关阶下段碳酸盐岩组成。同时，矿泉水出露的断裂破碎带宽10～16 m，发育构造角砾岩及构造透镜体，并伴有糜棱岩化、硅化、方解石化和片理化。为此，沿断裂带形成了泥盆系灰岩水的强径流带和富水区，由于径流途径长，循环深度大，水温高，压力大，水中溶解的矿物质增加，水质为HCO3•SO4--Na•Ca•Mg型，矿化度为337.02～370.71 mg/L，水中偏硅酸为31.2～39.0 mg/L，达到矿泉水界限标准。

3　矿泉水的生成机理探讨

F1断裂属区域活动性断裂，该矿泉水出露在次级断裂F2下盘。断裂的蠕动释放热和地下增温为矿泉水提供了热源；通过水中偏硅酸含量和水温计算其循环深度约2700 m。

3.1 热储温度

根据地下水中可溶SiO2的溶解度与温度呈正向关系，利用SiO2的浓度，采用无蒸汽损失的石英温标计算深部矿泉水形成该浓度的热储温度。

t=[1309/（5.19-lgC1）]-273.15=70.42℃，式中t：热储温度，C1：SiO2含量（24 mg/L）。

3.2 循环深度

根据地温梯度计算循环深度：

H=G（Th-tB）+h=50（70.42-16.7）+20= 2706 m；式中H：矿泉水循环深度；G：地热增温级(根据收集石油钻井资料：50 m/℃)；Th：矿泉水的热储温度（70.42℃）；tB：本地的平均气温（16.7℃）；h：恒温带深度（20 m）。

3.3 循环通道

水源地东、南、西三面接受降水入渗，渗入水沿F1断裂或其它裂隙系统通道向深部渗透运移到特定的深度、由分散到集中、循环且不断增温，并溶解、溶滤了围岩一定量的微量组分，变成含有特殊离子的地下水后，由潜水逐渐转变为承压水，然后沿断裂带继续运移至与F2断裂交汇处附近，由于F2断裂带有厚度大于3 m的断层泥和劈理化带隔水、隔热、其下盘碳酸盐岩岩溶裂隙发育，为矿泉水提供了导水导热通道，于是沿F2断裂下盘上升溢出地表。

4　结论及建议

4.1 结论

（1）罗泉矿泉水出露于含水量丰富的由泥盆系上统锡矿山组下段和石炭系下统岩关阶下段碳酸盐岩组成的岩组中。泉水自流开采方便，水量丰富，最大涌水量3240 m3/d，允许开采量2400 m3/d，开采水量有保障。

（2）该矿泉水的形成是砂砾石层风化溶解、锶硅离子交替吸附，同时主要补给为东南边山前断裂带泥盆系灰岩水侧向补给，加之上覆潜水越流补给等共同作用的结果，形成了富锶、偏硅酸的重碳酸—钠、钙型天然饮用矿泉水。

（3）多年开采实践证明，锶（Sr）含量随着开采时间的推移总体呈下降趋势，偏硅酸（H2SiO3）含量基本稳定。

（4）综上所述，该矿泉水具有地热、地质、水文地质和水文地球化学的独特环境，有良好的热源供给，有较丰富的矿泉水物质来源，F1、F2断裂具有提供热源，传输热能、导水以及良好的隔水保温条件。该矿泉水为含锶偏硅酸适合饮用低钠水的优质天然矿泉水，并含有微量锂、锌、铜、硒等对人体健康有益组分，兼具高热医疗价值，可作为瓶装矿泉水及其它饮料母液开发。

4.2 建议

虽然矿泉水无任何污染源，但在今后开采中，要加强卫生防护区建设和水质监则。

（1）设立卫生防护区，严格各项防护措施。矿泉附近地表防污能力较薄弱，且开发利用矿泉水是综合性的，既生产饮用矿泉水和以矿泉水为母液生产饮料系列，又要发展旅游、疗养和养殖、种植等，需水量大，产生的废水量也大，为确保矿泉水的水质，建议按国标要求设立卫生防护区。

（2）矿泉水允许开采量大，水温高，要全面规划做到饮用、医疗、休闲、种养殖等综合利用。

（3）加强水质的监则，注意做好开采中的水质、水温、水量的动态长期观测工作。

参考文献/References

[1]湖南省地矿局水文一队，湖南省汝城县罗泉矿泉水勘察报告[R]， 1992.

[2]湖南省地质矿产勘查开发局四0二队，湖南省汝城县暖水乡罗泉矿泉水资源评价报告[R]，2011年06月，欧任文等.

[3]陈履安，天然矿泉水[J].人民教育出版社，1993.

To Investigate the Luoquan Formation Mechanism of Mineral Water in Rucheng

Wang Xiaoqing,Cheng Daihua,Ou Renwen,Liu Zhenqi
(Hunan Coal Geology Prospecting Institute,Changsha Hunan 410014)

Abstract:Luoquan mineral water source is located in Luoquan village,Nuanshui town,Rucheng county,the aquifer is the rocks of the upper Devonian Xikuangshan formation and the lower carboniferous Yanguanian stage carbonate rock.Mineral spring water depth of 356 m(3.65 m)static water level above the ground,the maximum yield of 6479.9 m3/d.Water quality evaluation for containing strontium and metasilicic acid,sodium bicarbonate,calcium type mineral water.Through to the water source of topography ,geological structure,formation lithology,hydrogeological conditions and other regional geological environmental conditions and geochemical analysis,hat mineral water is sandy gravel layer weathering dissolution,strontium,silicon ions adsorption results alternately,the main supply to southeast very lateral fault belt of devonian system limestone water supplies,as well as the overlying diving supplies,such as the flow together and form.Mining practice proved that the content of strontium(Sr)as the structure,the passage of time is on the decline,metasilicate(H2SiO3)content basically stable.The mineral water for drinking low sodium and high quality natural mineral water.

Key Words:Luoquan mineral water;geological environmental conditions;geochemical analysis;forming mechanism to investigate

收稿日期：2016-1-15；改回日期：2016-2-23。

*第一作者简介王小清，女，1968年生 ，煤田地质与勘探专业，工程师，主要从事水文地质、环境地质、煤田地质等技术工作。E-mail:646398961@qq.com

文章编号：1672-5603（2016）01-044-6

中图分类号：P641.5

文献标识码：A